工程 事故 分析 電梯傳動(dòng)軸的 事故 分析 摘要 在本研究中隊(duì)電梯傳動(dòng)軸的 事故 分析作了詳細(xì)的介紹。 事故 發(fā)生在軸的鍵槽上。微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)、和軸的化學(xué)特性已經(jīng)定了。對(duì)斷裂表面做出視覺(jué)調(diào)查以后得出結(jié)論斷裂的產(chǎn)生是由于扭轉(zhuǎn)的彎曲疲勞。 疲勞裂紋已開始在鍵槽邊緣?？紤]到電梯以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、力和力矩已決定作用在軸上；在失效面上的壓力事故須進(jìn)行計(jì)算。壓力分析的實(shí)現(xiàn)還利用有限元法（ FEM）和結(jié)果與計(jì)算值的比較。耐力極限和疲勞安全系數(shù)的計(jì)算，軸的疲勞周期分析進(jìn)行了估計(jì)。 失效原因的研究及分析得出破裂的發(fā)生是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或鍵槽的制造（鍵槽角 落較低的曲率半徑造成高切口效應(yīng)）?？傊?，曲率半徑的變化對(duì)壓力分別的影響可以用 FEM 解釋，且必須采取預(yù)防措施防止透明的類似的失效。 1. 簡(jiǎn)介 本文研究的電梯傳動(dòng)軸已經(jīng)被使用了 30 年。電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在建筑物的底部（圖 1）。據(jù)報(bào)道，在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)維護(hù)應(yīng)用在軸上。電梯用于一個(gè) 8層和 16個(gè)套間組成的建筑里。電梯具有承載 4個(gè)人（ 320kg）的能力。就在事故發(fā)生后，兩個(gè)人離開了電梯，由于軸的突然斷裂，皮帶輪和電動(dòng)發(fā)電機(jī)的連接被打破，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)失敗。 由于平衡重量變重，電梯以巨速上升。在事故中無(wú)人員受傷。 2. 電 梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析 在電梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析得出轉(zhuǎn)矩是由一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生的，由螺旋輪傳輸給軸。電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生 6.5HP，是 1500 轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)和螺旋輪的減速比為 28.6。 軸關(guān)鍵通過(guò)皮帶輪旋轉(zhuǎn)。電梯的四個(gè)主要繩索放在滑輪上且通過(guò)在驅(qū)動(dòng)軸和滑輪方向旋轉(zhuǎn)，電梯上下移動(dòng)。電梯的服務(wù)速度是 0.6m/s。軸是由三個(gè)方向上徑向軸承的形式支撐的（圖 2）。 3. 斷口的視覺(jué)調(diào)查 初級(jí)視覺(jué)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)斷裂發(fā)生在軸上皮帶輪固定的鍵槽處（圖 3） 。 在分析斷口（圖 4），檢測(cè)到一個(gè)典型的扭轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂面 1。疲勞裂紋開始發(fā)生在鍵槽的角落，然 后移動(dòng)到差不多整個(gè)表面。脆性斷裂面的小面積表明一個(gè)低的作用應(yīng)力。檢測(cè)到的疲勞線僅在脆性斷裂地區(qū)。這可能由于摩擦表面的相互分離，導(dǎo)致形成疲勞線消失。 4. 原料的特性 由于沒(méi)有 有關(guān)可用化學(xué)成分軸材料的信息，事故分析的首要任務(wù)是材料的鑒定。確定軸材料、化學(xué)成分、機(jī)械性能和顯微結(jié)構(gòu)分析的進(jìn)行。 4.1.化學(xué)分析 軸的化學(xué)分析采用原子吸收光譜法，如表 1 報(bào)告 。 4.2. 微觀結(jié)構(gòu) 軸材料的微觀結(jié)構(gòu)是由蝕刻，金剛石拋光后，用 2%的 Nitral 溶解并在顯微鏡下觀察（圖 5）。鐵素體，珠光體和細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)可以清楚地看到。 4.3. 機(jī)械性能 拉伸和 硬度試驗(yàn)來(lái)確定軸的機(jī)械特性，見表 2。 考慮到機(jī)械、化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，軸材料估計(jì)為 St52.0。張力，屈服，伸長(zhǎng)率和硬度值 依照 DIN1629 都是適合于 St52.0 的目錄值 2。 5. 壓力分析 通過(guò)壓力分析，調(diào)查發(fā)現(xiàn)最大和最小正常和剪切壓力值發(fā)生在操作過(guò)程中的斷裂面。起初，力和力矩作用在確定的軸上。通過(guò)分析最小壓力值，只有空艙的重量（ 420kg）和平衡重量（ 580kg）考慮在內(nèi)。在這種情況下，反作用力 在斷裂面處瞬間 引起 437.4 N m 的彎曲度，作為 20.6MPa 的正壓力值。剪切力，由于空艙、繩索和平衡 重量的負(fù)載引起，形成了 3.5MPa 的剪切壓力。通過(guò)分析最大壓力值，平衡重量，四個(gè)人在內(nèi)的客艙重量（每個(gè)人是 80kg，且客艙的總重是 740kg），扭轉(zhuǎn)瞬間和沖擊比是要考慮的。 在這種情況下， 571N m 的彎曲力矩在斷裂面發(fā)生并引起一個(gè) 27MPa 正常壓力值。剪切壓力值，由于剪切力，才是 4.7MPa。 6.5HP電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)率是 1500rot/min，螺旋齒的換算比率是 28.6 且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率是 0.7?？紤]到這些參量，扭力矩計(jì)算為 887.7N m?？偧羟袎毫υ谶@種情況下作為 25.7MPa 計(jì)算。 通過(guò)視覺(jué)檢查后確定， 從鍵槽范圍到鍵槽側(cè)面（角落）的過(guò)渡近似垂直的，并且沒(méi)有觀察到曲率半徑（ RC）（圖 6）。 理論上， RC 不能為零，它只能通過(guò)精銑刀具到達(dá) 0.4mm 的值 3。因此，通過(guò)把RC 看作 0.4mm 來(lái)計(jì)算，引起一個(gè)巨大的高切口的效果。理論的缺口效應(yīng)在兩個(gè)狀態(tài)下（使用相關(guān) 表 4）分析 ；剪切缺口效應(yīng)（ ）被定義為 2.93 和彎曲缺口效應(yīng) 被定義為 2.72。疲勞切口元素（ ）考慮到幾何學(xué)和軸的材料可以計(jì)算為 4: 其中？是 缺口靈敏度元素且其值為 0.854。使用方程（ 1）剪切疲勞缺口效應(yīng)（ ）計(jì)算為 2.64 并且標(biāo)準(zhǔn) 疲勞缺口效應(yīng)（ ）為 2.46。沖擊比例系數(shù)被認(rèn)為 1.2。 考慮到剪切和正向壓力，沖擊比例（ ）和疲勞缺口效應(yīng)，等效壓力（ ）使用“形狀變形能量假說(shuō)”計(jì)算 5為： 計(jì)算結(jié)果見表 3。 5.1. 疲勞強(qiáng)度分析 軸材料的 疲勞強(qiáng)度（ 耐力極限 ） 計(jì)算為 6 考慮到大小因素（ kD）當(dāng) kD=0.77 時(shí)直徑為 60mm 且表面因素（精細(xì)拋光）kS=0.956；新的 耐力極限 計(jì)算為 ， 從我們?cè)谥榔骄鶋毫χ抵耙呀?jīng)做的計(jì)算中（ ）得出不為零。為確定 對(duì) 耐力極限 的影響，我們必須知道或至少估計(jì)下 。為了計(jì)算 ，我們必須考慮發(fā)生在斷裂面處隨時(shí)的壓力值變化。但是這是相當(dāng)困難的。通過(guò)我們做過(guò)的計(jì)算，我們估計(jì)最大和最小壓力值。 最小壓力值出現(xiàn)在空艙位置和固定位置（速度為零）且沒(méi)有加速度，通過(guò)電梯和四個(gè)人（每個(gè)人被認(rèn)為是 80kg）在客艙內(nèi)加速到達(dá)最大壓力值。但在現(xiàn)實(shí)中，運(yùn)輸在客艙內(nèi)人的數(shù)量并不總是最大運(yùn)輸數(shù)量的人數(shù)（ 4）。因此，一個(gè)“變振幅壓力” 要視客艙內(nèi)的人數(shù) 發(fā)生在 斷裂面（圖 7）。 每個(gè)最小峰值證明是在電梯不動(dòng)和空載時(shí) 壓力在斷裂面的值 ， 最大峰值證明是壓力值發(fā)生在載人電梯巡游時(shí)且考慮加速度。 要計(jì)算平均壓力，我們必須 轉(zhuǎn)變 “變振幅壓力”為“恒振幅壓力”通過(guò)假設(shè) 最大壓力值總是發(fā)生在斷裂面處（通常運(yùn)送四個(gè)人）。根據(jù)這一假設(shè)，壓力值隨時(shí)間的變化見圖 8。 這種情況下平均壓力值是 108MPa。 考慮到平均壓力值，計(jì)算耐力極限之前需進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)分析，古德門的標(biāo)準(zhǔn)被考慮（圖 9）并改進(jìn)耐力極限（ ） 計(jì)算為 考慮到改進(jìn)耐力極限（ ）和等效壓力（ ），疲勞安全 系數(shù) （ ）計(jì)算為 5.2. 疲勞壽命分析 從方程式（ 6）可以看出 疲勞安全系數(shù)是相當(dāng)?shù)牡停?）。對(duì)于詳細(xì)的疲勞壽命分析，壽命周期通過(guò)下面的假設(shè)估計(jì)：大廈里所有電梯的唯一大約是八 層樓 21m。 這棟建筑包括 16 個(gè)公寓。其中一半公寓是兩個(gè)人，另外一半公寓是三個(gè)人居住。每個(gè)人每天使用電梯兩次。電梯每年使用 349 天且軸可運(yùn)行 30 年?；喌闹睆绞?400mm，被每個(gè)旋轉(zhuǎn)的電梯移動(dòng) 1.257m?？紤]到這些解釋，電梯的總壽命大約是 6.8 106圈 。 為進(jìn)一步的疲勞分析，軸的壓力 -圈數(shù) （ S-N）曲線得以估計(jì)。為繪制軸的 S-N的曲線，根據(jù) Juvinall 和 Shigley7， 8，疲勞事故壓力值在 103圈 時(shí)發(fā)生，由下式計(jì)算 其中 m=0.9 是彎曲度。根據(jù)方程式（ 7） 在 Nf=103周期時(shí)壓力值是 512MPa。圖中第二點(diǎn)是耐力極限值，其中鋼為 106圈。根據(jù)這些解釋，估計(jì)的S-N 圖表見圖 10。 通過(guò)低壓力值和高周期疲勞，事故可能發(fā)生在 106和 107圈之間 9。所以估算壽命 6.8 106圈數(shù)值為 疲勞事故支持我們的論點(diǎn)。 6. 有限元素分析 為在鍵槽和斷裂面檢查壓力分布，需應(yīng)用有限元素分析（ FEM）。通過(guò)使用分析ANSYS 程序。建立了一個(gè)精確的軸幾何模型。作為一個(gè)三維物體由于軸太長(zhǎng)而不能完全被分析，只有鍵槽和斷裂區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的建模（圖 11）。 高壓力區(qū)域，特別是在鍵槽角落，可以清楚地看到。上升對(duì)壓力值的顯著 效果是低的曲率半徑引起一個(gè)高的缺口效應(yīng)。使用 FEM 進(jìn)行壓力分析的主要目的是核實(shí)我們以前所做的計(jì)算。從圖 11可以看出，斷裂面的壓力值接近計(jì)算值。 7. 討論 通過(guò)增加曲率半徑（ RC）值，產(chǎn)生在鍵槽角落的壓力值可有效降低。要確定 RC在壓力分布的影響，可使用有效元素分析。通過(guò)這種檢查， RC-值的逐漸增加是為壓力值減少的視覺(jué)分析，可見圖 12。 鍵槽處壓力值的劇烈增加清晰可見。對(duì)于進(jìn)一步的研究， RC 改變對(duì)壓力和疲勞安全系數(shù)的影響詳細(xì)分析見圖 13 和 14。 通過(guò)從 0.5mm 到 2mm 增加曲率半徑將減少壓力值從 163 到 104MPa 和疲勞安全系數(shù)從 1.05 到 1.78 的增加。圖 13 和 14證實(shí)曲率半徑的增加可能會(huì)預(yù)防電梯驅(qū)動(dòng)軸的事故?？傊?，這確定軸斷裂發(fā)生是由于錯(cuò)誤設(shè)計(jì)或鍵槽的制造（曲率半徑低），造成高缺口的影響。 8. 小結(jié) 一個(gè)電梯傳動(dòng)軸故障分析的詳細(xì)調(diào)查。確定了軸的微觀結(jié)構(gòu)，機(jī)械和化學(xué)特性。做了斷裂面的視覺(jué)